EP4363818A1 - Normalspannungssensorsystem - Google Patents

Normalspannungssensorsystem

Info

Publication number
EP4363818A1
EP4363818A1 EP22723027.3A EP22723027A EP4363818A1 EP 4363818 A1 EP4363818 A1 EP 4363818A1 EP 22723027 A EP22723027 A EP 22723027A EP 4363818 A1 EP4363818 A1 EP 4363818A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stress sensor
normal stress
normal
resonators
sensor system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22723027.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Siegfried Reck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ContiTech Luftfedersysteme GmbH
Original Assignee
ContiTech Luftfedersysteme GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ContiTech Luftfedersysteme GmbH filed Critical ContiTech Luftfedersysteme GmbH
Publication of EP4363818A1 publication Critical patent/EP4363818A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators

Definitions

  • the present invention relates to a normal stress sensor system according to patent claim 1, a normal stress sensor for use in such a normal stress sensor system according to patent claim 14 and a control unit for use in such a normal stress sensor system according to patent claim 15.
  • the transducers In order to measure mechanical normal and shear stresses, the transducers must be integrated into the component in such a way that they can record the force flow to be measured. If this power flow is inhomogeneous, flat sensors are usually required. Elastomer-based pressure measuring foils, which are inserted into the component for each measurement, depict the distribution of the maximum stresses that have occurred by means of color changes. However, this is usually imprecise, cannot be recorded electronically and an unused pressure measuring foil must be installed, removed again and evaluated for each measurement, which makes this type of recording of normal and shear stresses unattractive.
  • DES dielectric elastomer sensors
  • DE 102020216234.4 discloses a device for detecting mechanical normal stresses in an elastomeric component, with an elastomeric component having at least one normal stress sensor, the normal stress sensor having at least one resonator whose natural frequency depends, preferably at least essentially, on the mechanical normal stresses to be detected linear, dependent, wherein at least the resonator is embedded in the elastomer component in such a way that mechanical normal stresses acting on the elastomer component can change the natural frequency of the resonator, and with at least one control unit which is designed to excite the resonator to oscillate at its natural frequency and its To detect vibrations, wherein the control unit is further designed to determine the mechanical normal stresses of the elastomeric component from the detected vibrations of the resonator.
  • a normal force sensor for elastomeric components which consists of a so-called symmetrical microwave stripline, which is designed as a resonator.
  • a dielectric is located along the longitudinal axis above and below a conductor strip, which is covered on its outer surface with a conductive layer and is electrically at ground potential.
  • the normal force to be measured compresses the strip line along the longitudinal axis and thus reduces the distance between the centrally arranged conductor strip and the two outer ground planes along the longitudinal axis, which changes the wave impedance and the return loss of the arrangement.
  • the strip line is connected to an impedance spectrometer that Evaluates the wave impedance and the return loss and uses this to calculate the measurement result.
  • a disadvantage of the device of DE 102020216234.4 is that in this way only the average normal stress can be detected, which acts in the middle of the surface of the normal stress sensor.
  • One object of the present invention is to improve the possibilities for measuring normal stresses of the type described in the introduction.
  • different normal stresses i.e. different value ranges
  • an alternative to known options for measuring normal stresses should be created.
  • the invention thus relates to a normal stress sensor system with at least one normal stress sensor with at least one first resonator with a first natural frequency which is dependent, preferably at least essentially linearly, on a mechanical first normal stress to be detected, with at least one second resonator with a second natural frequency which is a mechanical second normal stress to be detected, preferably at least essentially linearly, wherein the normal stress sensor is designed to be arranged between two objects in such a way that mechanical normal stresses acting between the objects can change the natural frequencies of the resonators, and with at least one control unit , which is formed, the resonators of the normal stress sensor to excite oscillations in its natural frequencies and to detect its oscillations, the control unit also being designed to determine the mechanical normal stresses of the elastomer component from the detected oscillations of the resonators.
  • the mechanical normal stresses of a plurality of differently designed resonators or designed with regard to their natural frequencies can be detected by sensors.
  • the resonators can thus detect mechanical normal stresses in the form of compressive forces and/or tensile forces, in that the forces influence the vibration behavior of the resonators in such a way that the vibration behavior of the respective resonator can be characteristic of the acting mechanical normal stresses. If the resonators are excited to oscillate and the oscillating behavior of the resonators is recorded and evaluated, conclusions can be drawn about the mechanical normal stresses that are present. As a result, mechanical normal stresses can be continuously detected by sensors.
  • resonators of this type can be produced simply, quickly, accurately in position and/or robustly, for example by vulcanization, by printing or by gluing. Such resonators can also be made comparatively flat. Furthermore, such resonators or a corresponding normal voltage sensor can be made available as a simple component at comparatively low cost.
  • the resonators of the normal stress sensor are elastic, preferably in the form of a conductive liquid. In this way, the resonators can flexibly adapt to the movements of the objects between which the normal stresses are to be measured, and as a result can record the mechanical normal stresses comparatively precisely.
  • the resonators or the corresponding normal stress sensor can also follow significantly greater expansions than rigid measuring transducers due to their elastic construction.
  • the resonators of the normal voltage sensor are designed as high-frequency resonators.
  • a high-frequency resonator is understood to mean a resonator which can work in the frequency range of high-frequency oscillations.
  • Flier are understood to mean frequencies in the frequency range from 1 to 300 GFIz.
  • the advantage here is that such high frequencies have correspondingly small wavelengths and the resonators can thus be realized with comparatively small dimensions.
  • the comparatively small resonators can also be integrated in a very small normal voltage sensor.
  • a small resonator may favor being embedded within a material.
  • Another advantage of this is that due to the high frequency, no interaction between the electromagnetic field of the resonators and a surrounding material can occur, which could have a negative effect on the functionality.
  • the resonators can be very sensitive to the measured value signal and thus to normal force or pressure. This can increase the measurement sensitivity.
  • the resonators of the normal stress sensor are arranged on a preferably elastic carrier layer, preferably a carrier film. This can favor implementation, especially as a flexible design.
  • the resonators of the normal stress sensor are arranged in a ring around a longitudinal axis, the longitudinal axis corresponding to the direction of the mechanical normal stresses acting between the objects.
  • This can favor an arrangement of the multiple resonators that is as uniform as possible relative to the axis of the normal stresses to be detected along the longitudinal axis and make it possible for the same normal stresses to act equally on all resonators and thus to be able to be detected by them in the same way.
  • the resonators of the normal stress sensor are each arranged perpendicular to the direction of the mechanical normal stresses between at least one pair of electrically conductive conductor layers and embedded in a dielectric, with at least one feed line being arranged in the dielectric and extending parallel to the resonators.
  • the normal voltage sensor has at least one connection which is electrically conductively connected in parallel to the resonators and to the feed line. This can allow access, in particular for the control unit, to the detected sensor values.
  • the dielectric of the normal stress sensor is elastic. This can implement the allow corresponding properties described above on the part of the dielectric.
  • the resonators of the normal stress sensor are designed to extend over a surface, preferably in a U-shape, the resonators being embedded in the dielectric with their surface plane of extension perpendicular to the direction of the mechanical normal stresses. This can make it possible to implement the resonators with a sufficiently long extension while at the same time having a compact design. This can favor a large-scale sensory detection of the mechanical normal stresses, which can improve the quality of the sensory values.
  • control unit is designed to excite the resonators of the normal stress sensor to oscillate at their natural frequencies using broadband pulses, to detect their impulse responses and to determine the mechanical normal stresses from the detected impulse responses.
  • This can represent a mode of operation in which the resonators are excited to oscillate at their respective natural frequencies and the corresponding signals from the resonators are recorded or received.
  • the control unit is designed to continuously excite the resonators of the normal stress sensor with oscillations of variable frequency to oscillate at their natural frequency, to detect their oscillations, to determine the transmission parameters from the resonant frequency of the detected oscillations and to determine the mechanical normal stresses from the determined transmission parameters to determine.
  • This can represent an alternative mode of operation to excite the resonators to oscillate at their respective natural frequency and to detect or receive the corresponding signals of the resonators.
  • the normal stress sensor also has at least one third resonator with a third natural frequency which is dependent, preferably at least essentially linearly, on a mechanical third normal stress to be detected. This can correspondingly extend the possibilities described above to a third resonator.
  • the normal stress sensor has a housing which is designed to be arranged between the two objects, the housing being designed to transmit mechanical normal stresses acting between the objects partially in parallel past the resonators.
  • the normal stress sensor according to the invention can be designed in this way in a manner comparable to a force measuring electrode, so that the normal stresses can be detected by sensors as described above, but without having a complete effect on the elements of the normal stress sensor and possibly overloading or damaging them as a result .
  • the present invention also relates to a normal stress sensor for use in a normal stress sensor system as described above.
  • a normal stress sensor can thereby be provided to implement a normal stress sensor system as described above and to use its properties and advantages.
  • the present invention also relates to a control unit for use in a normal stress sensor system as described above.
  • a control unit can be created in order to implement the device described above and to be able to use its properties and advantages.
  • the control unit can also be used universally, for example for similar devices or measuring systems, with appropriate adjustment of the software implementation of the functions described above for the respective application.
  • the object of the present invention can be seen in particular as creating a force-measuring device that can record several individual forces simultaneously in order to determine the force distribution in its measuring area.
  • the task can be solved in particular by a force-measuring device with at least two resonators, which are tuned to different frequencies due to their geometric dimensions and can be excited by field coupling from a common feed line.
  • the entire structure consisting of the feed line and the coupled resonators can be implemented as a symmetrical strip line.
  • conventional strip lines consist of rigid materials
  • the force measuring device according to the invention can consist of elastic materials.
  • the striplines can be created with conductive ink that is based on metallic nanoparticles and can therefore allow for expansions of around 1% before the structures printed with it lose their conductivity.
  • An elastic foil can be used as a carrier for the conductor structures.
  • a coaxial high-frequency cable can preferably be connected to a connector of the force-measuring device and connected to a transceiver as a control unit.
  • the outer conductor of the connector can be electrically at ground potential.
  • the transceiver can be designed as a so-called "Software Defined Radio", whose integrated programmable computing unit can calculate the forces acting on the individual resonators from the changes in the individual resonance frequencies or the return losses.
  • the force-measuring device according to the invention can be characterized by a low overall height of 2 mm ⁇ h ⁇ 10 mm. By specifying the maximum permissible compression, the measuring range can be predetermined with the help of the modulus of elasticity of the dielectric.
  • the outer, grounded ground surfaces of the dielectric can protect the force-measuring device from interference from electromagnetic influences. Due to its elasticity, the measuring device can also be used for curved surfaces.
  • the force-measuring device can preferably be implemented for a round cross-section with three measuring points distributed around the circumference.
  • the dimensions of the traces, i.e. their length and width, as well as their spacing, can be determined using a simulation calculation for the return loss. The dimensions can be tuned so that the resonances in the frequency response are distinguishable from each other. If necessary, the feed line can be terminated with an ohmic resistor.
  • the conductor structures can be printed on both sides of the carrier film so that they run congruently.
  • the force measuring device can be integrated into a metal housing that takes over part of the power flow ("shunt").
  • Normal stress sensor systems can be used in particular in the case of elastomeric components such as belts, air springs, hoses, belts, bearings, etc., and in measurement technology in general.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an inventive
  • Normal stress sensor considered along the longitudinal axis
  • FIG. 2 shows the representation of FIG. 1 cut open and viewed unrolled along the longitudinal axis
  • FIG. Figure 3 is a section A-A through Figures 1 and 2 perpendicular to the longitudinal axis
  • FIG. 4 shows the representation of FIG. 3 with the housing.
  • a normal stress sensor 1 has an elastic
  • Carrier layer 10 which can also be referred to as carrier film 10.
  • the carrier film 10 is essentially circular with a radial projection.
  • a feed line 12 is printed onto the carrier film 10, which runs in a ring around the longitudinal axis X and ends at one end on the projection of the carrier film 10 and is electrically conductively connected there to a connection 13 in the form of a plug 13.
  • a first U-shaped resonator 11a is applied on the same side as the feed line 12 by means of printed electrically conductive ink.
  • the carrier film 10 is along the longitudinal axis X with the resonators 11a, 11b, 11c and the feed line 12 on both sides in a flexible dielectric 14 embedded, see FIG. 3.
  • the dielectric 14 is arranged on both sides along the longitudinal axis X between electrically conductive conductor layers 15 in the form of ground planes 15 .
  • the carrier foil 10 is arranged exactly in the middle between the two ground surfaces 15 along the longitudinal axis X, so that a distance h from the carrier foil 10 to each of the two ground surfaces 15 is the same when the normal voltage sensor 1 is in the unloaded state.
  • the normal stress sensor forms a normal stress sensor system together with a control unit (not shown).
  • the control unit can excite the resonators 11a, 11b, 11c of the normal stress sensor 1 to oscillate at the respective natural frequency and these oscillations can be detected by the control unit 1.
  • the control unit can determine the mechanical normal stresses F along the longitudinal axis X from the detected vibrations of the resonators 11a, 11b, 11c.
  • one of the resonators 11a, 11b, 11c can be detuned more than the other two resonators 11a, 11b, 11c and then exactly its sensor values can be used to determine the applied mechanical normal stress F along the longitudinal axis X.
  • This can increase the measurement accuracy, since one of the three resonators 11a, 11b, 11c can be designed to be correspondingly sensitive over the value range of the normal voltages F to be detected for all three resonators 11a, 11b, 11c in order to to cover or detect the entire range of values of the normal stresses F to be detected with greater accuracy than is previously known from such normal stress sensors with only one resonator.
  • the normal stress sensor 1 can be arranged in a housing 16 comparable to a load cell.
  • the connection to objects (not shown), between which the normal stresses F are to be detected by sensors as described above, can be made along the longitudinal axis X on one side via a housing base 16a and on the opposite side via a housing cover 16b.
  • the normal voltages F can be conducted parallel to the normal voltage sensor 1 via the housing walls 16c of the housing 16, see Figure 4.
  • A-A section F mechanical normal stresses or direction of the mechanical

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Normalspannungssensorsystem mit wenigstens einem Normalspannungssensor (1) mit wenigstens einem ersten Resonator (11a) mit einer ersten Eigenfrequenz, welche von einer zu erfassenden mechanischen ersten Normalspannungen (F), vorzugsweise zumindest im Wesentlichen linear, abhängig ist, mit wenigstens einem zweiten Resonator (11b) mit einer zweiten Eigenfrequenz, welche von einer zu erfassenden mechanischen zweiten Normalspannungen (F), vorzugsweise zumindest im Wesentlichen linear, abhängig ist, wobei der Normalspannungssensor (1) ausgebildet ist, zwischen zwei Objekten derart angeordnet zu werden, so dass zwischen den Objekten wirkende mechanische Normalspannungen (F) die Eigenfrequenzen der Resonatoren (11a, 11b) verändern können, und mit wenigstens einer Steuerungseinheit, welche ausgebildet ist, die Resonatoren (11a, 11b) des Normalspannungssensors (1) zu Schwingungen in dessen Eigenfrequenzen anzuregen und dessen Schwingungen zu erfassen, wobei die Steuerungseinheit ferner ausgebildet ist, aus den erfassten Schwingungen der Resonatoren (11a, 11b) die mechanischen Normalspannungen (F) zu bestimmen.

Description

Beschreibung
Normalspannungssensorsystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Normalspannungssensorsystem gemäß dem Patentanspruch 1, einen Normalspannungssensor zur Verwendung in einem derartigen Normalspannungssensorsystem gemäß dem Patentanspruch 14 sowie eine Steuerungseinheit zur Verwendung in einem derartigen Normalspannungssensorsystem gemäß dem Patentanspruch 15.
Um mechanische Normal- und Scherspannungen zu messen, müssen die Messwandler so in das Bauteil integriert werden, dass sie den zu messenden Kraftfluss erfassen können. Ist dieser Kraftfluss inhomogen, sind üblicherweise flächige Sensoren notwendig. Druckmessfolien auf elastomerer Basis, die für jeweils eine Messung in das Bauteil eingefügt werden, bilden die Verteilung der aufgetretenen Maximalspannungen durch Farbveränderungen ab. Dies ist üblicherweise jedoch ungenau, kann nicht elektronisch erfasst werden und es ist pro Messung jeweils eine unbenutzte Druckmessfolie zu verbauen, wieder zu entfernen und auszuwerten, was diese Art der Erfassung von Normal- und Scherspannungen unattraktiv macht.
Mit Hilfe elektronischer Druckmessfolien lassen sich Normalspannungsverteilungen kontinuierlich sowie elektronisch vermessen. Beispielsweise eine Matrix aus piezoresistiven Messwandlern liefert die Daten für ein räumlich aufgelöstes Bild. Alternativ können sich dielektrische Elastomersensoren (DES) für die Messung von mechanischen Normalspannungen eignen.
Bis auf die dielektrischen Elastomersensoren eignen sich jedoch derartige bekannte Sensoren nur bedingt zur Messung von mechanischen Spannungen in elastomeren Körpern, weil die dielektrischen Elastomersensoren relativ großen Dehnungen nicht folgen können. Außerdem sind piezoresistive Druckmessfolien teuer, so dass sie vorzugsweise für diskontinuierliche Messungen verwendet werden.
Aus der DE 102020216234.4 (unveröffentlicht) ist eine Vorrichtung zur Erfassung von mechanischen Normalspannungen in einem Elastomerbauteil bekannt, mit einem Elastomerbauteil, mit wenigstens einem Normalspannungssensor, wobei der Normalspannungssensor wenigstens einen Resonator aufweist, dessen Eigenfrequenz von den zu erfassenden mechanischen Normalspannungen, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen linear, abhängig ist, wobei wenigstens der Resonator derart in das Elastomerbauteil eingebettet ist, dass auf das Elastomerbauteil wirkende mechanische Normalspannungen die Eigenfrequenz des Resonators verändern können, und mit wenigstens einer Steuerungseinheit, welche ausgebildet ist, den Resonator zu Schwingungen in dessen Eigenfrequenz anzuregen und dessen Schwingungen zu erfassen, wobei die Steuerungseinheit ferner ausgebildet ist, aus den erfassten Schwingungen des Resonators die mechanischen Normalspannungen des Elastomerbauteils zu bestimmen.
Mit anderen Worten wird ein Normalkraftsensor für elastomere Bauteile beschrieben, welcher aus einer sogenannten symmetrischen Mikrowellen- Streifenleitung besteht, die als Resonator ausgeführt ist. Entlang der Längsachse oberhalb und unterhalb eines Leiterstreifens befindet sich jeweils ein Dielektrikum, das auf seiner Außenfläche mit einer leitfähigen Schicht bedeckt ist und elektrisch auf Masse-Potenzial liegt. Die zu messende Normalkraft komprimiert die Streifenleitung entlang der Längsachse und verringert somit den Abstand zwischen dem mittig angeordneten Leiterstreifen und den beiden äußeren Masseflächen entlang der Längsachse, wodurch sich die Wellenimpedanz sowie die Rückflussdämpfung der Anordnung ändern. Bei der Kraftmessung wird die Streifenleitung mit einem Impedanz-Spektrometer verbunden, das die Wellenimpedanz und die Rückflussdämpfung auswertet und daraus das Messergebnis berechnet.
Nachteilig an der Vorrichtung der DE 102020216234.4 ist, dass auf diese Art und Weise lediglich die mittlere Normalspannung erfasst werden kann, welche in Mitte der Fläche des Normalspannungssensor wirkt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Möglichkeiten zur Messung von Normalspannungen der eingangs beschriebenen Art zu verbessern. Insbesondere sollen unterschiedliche Normalspannungen, d.h. unterschiedliche Wertebereiche, gemessen werden können. Zumindest soll eine Alternative zu bekannten Möglichkeiten zur Messung von Normalspannungen geschaffen werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Normalspannungssensorsystem mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, durch einen Normalspannungssensor mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 14 sowie durch eine Steuerungseinheit mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Somit betrifft die Erfindung ein Normalspannungssensorsystem mit wenigstens einem Normalspannungssensor mit wenigstens einem ersten Resonator mit einer ersten Eigenfrequenz, welche von einer zu erfassenden mechanischen ersten Normalspannungen, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen linear, abhängig ist, mit wenigstens einem zweiten Resonator mit einer zweiten Eigenfrequenz, welche von einer zu erfassenden mechanischen zweiten Normalspannungen, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen linear, abhängig ist, wobei der Normalspannungssensor ausgebildet ist, zwischen zwei Objekten derart angeordnet zu werden, so dass zwischen den Objekten wirkende mechanische Normalspannungen die Eigenfrequenzen der Resonatoren verändern können, und mit wenigstens einer Steuerungseinheit, welche ausgebildet ist, die Resonatoren des Normalspannungssensors zu Schwingungen in dessen Eigenfrequenzen anzuregen und dessen Schwingungen zu erfassen, wobei die Steuerungseinheit ferner ausgebildet ist, aus den erfassten Schwingungen der Resonatoren die mechanischen Normalspannungen des Elastomerbauteils zu bestimmen.
Mit anderen Worten können erfindungsgemäß die mechanischen Normalspannungen mehrerer unterschiedlich ausgebildeter bzw. hinsichtlich ihrer Eigenfrequenzen ausgelegter Resonatoren sensorisch erfasst werden. Die Resonator können somit mechanische Normalspannungen in Form von Druckkräften und bzw. oder Zugkräften erfassen, indem die Kräfte das Schwingungsverhalten der Resonatoren derart beeinflussen, dass das Schwingungsverhalten des jeweiligen Resonators charakteristisch für die wirkenden mechanischen Normalspannungen sein kann. Werden nun die Resonatoren zu Schwingungen angeregt sowie wird das Schwingungsverhalten der Resonatoren erfasst und ausgewertet, kann hierdurch auf die anliegenden mechanischen Normalspannungen geschlossen werden. Hierdurch können mechanische Normalspannungen kontinuierlich sensorisch erfasst werden. Dabei können unterschiedliche Wertebereiche der Normalspannungen von den beiden unterschiedlichen Resonatoren erfasst werden, und nicht lediglich ein einziger Wertebereich eine üblicherweise mittleren Normalspannung, wie bisher bekannt. Somit können die auftretenden Normalspannungen in einem größeren Wertebereich ihrer Amplituden bzw. Stärken sensorisch erfasst werden als bisher bekannt.
Vorteilhaft ist hierbei insbesondere, dass sich derartige Resonatoren zum Beispiel durch Vulkanisation, durch Drucken oder durch Kleben einfach, schnell, positionsgenau und bzw. oder robust hersteilen lassen. Auch können derartige Resonatoren vergleichsweise flach ausgebildet werden. Ferner können derartige Resonatoren bzw. ein entsprechender Normalspannungssensor als einfaches Bauteil vergleichsweise kostengünstig zur Verfügung gestellt werden. Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die Resonatoren des Normalspannungssensors elastisch, vorzugsweise als leitfähige Flüssigkeit, ausgebildet. Auf diese Art und Weise können sich die Resonatoren den Bewegungen der Objekte, zwischen denen die Normalspannungen zu messen sind, flexibel anpassen und hierdurch die mechanische Normalspannungen vergleichsweise genau erfassen. Auch können die Resonatoren bzw. kann der entsprechende Normalspannungssensor aufgrund ihrer bzw. seiner elastischen Bauweise wesentlich stärkeren Dehnungen folgen als starre Messwandler.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Resonatoren des Normalspannungssensors als hochfrequenter Resonator ausgebildet. Unter einem hochfrequenten Resonator wird ein Resonator verstanden, welcher im Frequenzbereich hochfrequenter Schwingungen arbeiten kann. Fl ierunter werden Frequenzen im Bereich einer Frequenz von 1 bis 300 GFIz verstanden.
Vorteilhaft ist hieran, dass derart hohe Frequenzen entsprechend kleine Wellenlängen aufweisen und somit die Resonatoren mit vergleichsweise kleinen Abmessungen realisiert werden können. Auf diese Art und Weise können die vergleichsweise kleinen Resonatoren auch in einem sehr kleinen Normalspannungssensor integriert werden. Insgesamt kann ein kleiner Resonator es begünstigen, innerhalb eines Materials eingebettet zu werden.
Vorteilhaft ist hieran auch, dass aufgrund der hohen Frequenz keine Wechselwirkung zwischen dem elektromagnetischen Feld der Resonatoren und einem umgebenden Material selbst auftreten kann, welche sich negativ auf die Funktionsweise auswirken könnte.
Vorteilhaft ist hieran ferner, dass aufgrund seiner hohen Arbeitsfrequenz die Resonatoren sehr empfindlich für das Messwertsignal und damit auf Normalkraft bzw. auf Druck sein können. Dies kann die Messempfindlichkeit erhöhen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Resonatoren des Normalspannungssensors auf einer, vorzugsweise elastischen, Trägerschicht, vorzugsweise Trägerfolie, angeordnet. Dies kann die Umsetzung, insbesondere als flexible Ausgestaltung, begünstigen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Resonatoren des Normalspannungssensors ringförmig um eine Längsachse angeordnet, wobei die Längsachse der Richtung der zwischen den Objekten wirkende mechanische Normalspannungen entspricht. Dies kann eine möglichst gleichmäßige Anordnung der mehreren Resonatoren relativ zur Achse der zu erfassenden Normalspannungen entlang der Längsachse begünstigen und es ermöglichen, dass dieselben Normalspannungen gleichermaßen auf alle Resonatoren wirken und somit von diesen gleichermaßen erfasst werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Resonatoren des Normalspannungssensors jeweils senkrecht zur Richtung der mechanischen Normalspannungen zwischen wenigstens einem Paar von elektrisch leitfähigen Leiterschichten und in einem Dielektrikum eingebettet angeordnet, wobei im Dielektrikum wenigstens eine Speiseleitung angeordnet ist, welcher sich parallel zu den Resonatoren erstreckt. Dies kann eine einfache Möglichkeit darstellen, die Resonatoren mit den hier beschriebenen Eigenschaften und Vorteilen umzusetzen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Normalspannungssensor wenigstens einen Anschluss auf, welcher parallel mit den Resonatoren und mit der Speiseleitung elektrisch leitfähig verbunden ist. Dies kann einen Zugriff, insbesondere der Steuerungseinheit, auf die erfassten Sensorwerte ermöglichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Dielektrikum des Normalspannungssensors elastisch ausgebildet. Dies kann die Umsetzung der entsprechenden zuvor beschriebenen Eigenschaften auch seitens des Dielektrikums ermöglichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Resonatoren des Normalspannungssensors sich, vorzugsweise U-förmig, flächig erstreckend ausgebildet, wobei die Resonatoren mit ihrer flächigen Erstreckungsebene senkrecht zur Richtung der mechanischen Normalspannungen in das Dielektrikum eingebettet sind. Dies kann es ermöglichen, die Resonatoren mit einer ausreichenden länglichen Erstreckung bei gleichzeitig kompakter Bauform umzusetzen. Dies kann eine großflächige sensorische Erfassung der mechanischen Normalspannungen begünstigen, was die Qualität der sensorisch erfassten Werte verbessern kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Steuerungseinheit ausgebildet, die Resonatoren des Normalspannungssensors mittels breitbandiger Impulse zu Schwingungen in deren Eigenfrequenzen anzuregen, deren Impulsantworten zu erfassen und aus den erfassten Impulsantworten die mechanischen Normalspannungen zu bestimmen. Dies kann eine Betriebsweise darstellen, die Resonatoren zu Schwingungen in ihrer jeweiligen Eigenfrequenz anzuregen und die entsprechenden Signale der Resonatoren zu erfassen bzw. zu empfangen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Steuerungseinheit ausgebildet, die Resonatoren des Normalspannungssensors kontinuierlich mit Schwingungen variabler Frequenz zu Schwingungen in deren Eigenfrequenz anzuregen, deren Schwingungen zu erfassen, aus der Resonanzfrequenz der erfassten Schwingungen die Übertragungsparametern zu bestimmen und aus den bestimmten Übertragungsparametern die mechanischen Normalspannungen zu bestimmen. Dies kann eine alternative Betriebsweise darstellen, die Resonatoren zu Schwingungen in ihrer jeweiligen Eigenfrequenz anzuregen und die entsprechenden Signale der Resonatoren zu erfassen bzw. zu empfangen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Normalspannungssensor ferner wenigstens einem dritten Resonator mit einer dritten Eigenfrequenz auf, welche von einer zu erfassenden mechanischen dritten Normalspannungen, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen linear, abhängig ist. Dies kann die zuvor beschriebenen Möglichkeiten entsprechend auf eine dritten Resonator erweitern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Normalspannungssensor ein Gehäuse auf, welches ausgebildet ist, zwischen den beiden Objekten angeordnet zu werden, wobei das Gehäuse ausgebildet ist, zwischen den Objekten wirkende mechanische Normalspannungen teilweise parallel an den Resonatoren vorbei zu übertragen. Mit anderen Worten kann der erfindungsgemäße Normalspannungssensor auf diese Art und Weise vergleichbar einer Kraftmessode ausgebildet werden, so dass die Normalspannungen wie zuvor beschrieben sensorisch erfasst werden können, ohne jedoch vollständig auf die Elemente des Normalspannungssensors zu wirken und diese ggfs hierdurch zu überlasten bzw. zu beschädigen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Normalspannungssensor zur Verwendung in einem Normalspannungssensorsystem wie zuvor beschrieben. Hierdurch kann ein Normalspannungssensor zur Verfügung gestellt werden, um ein Normalspannungssensorsystem wie zuvor beschrieben umzusetzen und dessen Eigenschaften und Vorteile zu nutzen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Steuerungseinheit zur Verwendung in einem Normalspannungssensorsystem wie zuvor beschrieben. Hierdurch kann eine Steuerungseinheit geschaffen werden, um die zuvor beschriebene Vorrichtung zu realisieren und dessen Eigenschaften und Vorteile nutzen zu können. Auch kann die Steuerungseinheit universell verwendet werden, z.B. für ähnliche Vorrichtungen bzw. Mess-Systeme, bei entsprechender Anpassung der softwareseitigen Umsetzung der zuvor beschriebenen Funktionen auf den jeweiligen Anwendungsfall.
Mit anderen Worten kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung insbesondere darin gesehen werden, eine Kraftmesseinrichtung zu schaffen, die mehrere Einzelkräfte gleichzeitig erfassen kann, um die Kraftverteilung in ihrer Messfläche zu bestimmen.
Gelöst werden kann die Aufgabe insbesondere durch eine Kraftmesseinrichtung mit mindestens zwei Resonatoren, die durch ihre geometrischen Abmessungen auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt sind und von einer gemeinsamen Speiseleitung durch Feldkopplung angeregt werden können. Die gesamte Struktur aus der Speiseleitung und den gekoppelten Resonatoren kann als symmetrische Streifenleitung umgesetzt werden. Während konventionelle Streifenleitungen aus starren Materialien bestehen, kann im Gegensatz hierzu die erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung aus elastischen Materialien bestehen. Die Streifenleitungen können insbesondere mit leitfähiger Tinte erzeugt werden, die auf metallischen Nanopartikeln basieren und deshalb Dehnungen von etwa 1% zulassen kann, bevor die damit gedruckten Strukturen ihre Leitfähigkeit verlieren. Als Träger der Leiterstrukturen kann eine elastische Folie dienen.
Vorzugsweise kann an einem Steckverbinder der Kraftmesseinrichtung ein koaxiales Hochfrequenz-Kabel angeschlossen und mit einem Sende-Empfänger als Steuerungseinheit verbunden werden. Der Außenleiter des Steckverbinders kann elektrisch auf dem Masse-Potential liegen. Der Sende-Empfänger kann als sogenanntes „Software Defined Radio“ ausgeführt werden, dessen integrierte programmierbare Recheneinheit aus den Änderungen der einzelnen Resonanzfrequenzen bzw. der Rückflussdämpfungen die Kräfte berechnen kann, die auf die einzelnen Resonatoren einwirken. Die erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung kann sich durch eine geringe Bauhöhe von 2 mm < h < 10mm auszeichnen. Unter Vorgabe der maximalen zulässigen Kompression kann sich der Messbereich mit Hilfe des Elastizitätsmoduls des Dielektrikums vorbestimmen lassen. Die äußeren, geerdeten Masseflächen des Dielektrikums können die Kraftmesseinrichtung vor Störungen durch elektromagnetische Beeinflussung schützen. Aufgrund ihrer Elastizität kann die Messeinrichtung auch für gewölbte Flächen verwendet werden.
Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung für einen runden Querschnitt mit drei Messstellen umgesetzt werden, die am Umfang verteilt sind. Die Abmessungen der Leiterbahnen, d.h. ihre Länge und Breite, sowie deren Abstand können mit Hilfe einer Simulationsrechnung für die Rückflussdämpfung ermittelt werden. Die Abmessungen können so abgestimmt werden, dass die Resonanzen im Frequenzgang voneinander unterscheidbar sind. Gegebenenfalls kann die Speiseleitung mit einem ohmschen Widerstand abgeschlossen werden.
Um die Güte der Resonatoren zu verbessern, können die Leiterstrukturen auf beide Seiten der Trägerfolie aufgedruckt werden, so dass sie kongruent verlaufen.
Um Schäden an dem elastomeren Dielektrikum durch mechanische Überlastung zu vermeiden, kann die Kraftmesseinrichtung in ein metallisches Gehäuse integriert werden, das einen Teil des Kraftflusses übernimmt („Shunt“).
Erfindungsgemäße Normalspannungssensorsysteme können insbesondere bei elastomeren Bauteilen wie beispielsweise Riemen, Luftfedern, Schläuchen, Gurten, Lagern etc. sowie in der Messtechnik allgemein eingesetzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den folgenden Figuren erläutert. Darin zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Normalspannungssensors entlang der Längsachse betrachtet;
Fig. 2 die Darstellung der Fig. 1 aufgeschnitten und abgerollt entlang der Längsachse betrachtet; Fig. 3 einen Schnitt A-A durch die Fig. 1 und 2 senkrecht zur Längsachse; und Fig. 4 die Darstellung der Fig. 3 mit Gehäuse.
Die Beschreibung der o.g. Figuren erfolgt in zylindrischen Koordinaten mit einer Längsachse X, einer zur Längsachse X senkrecht ausgerichteten radialen Richtung R sowie einer um die Längsachse X umlaufenden Umfangsrichtung U. Die Längsachse X, die radiale Richtung R und die Umfangsrichtung U können gemeinsam auch als Raumrichtungen X, R, U bzw. als zylindrische Raumrichtungen X, R, U bezeichnet werden. Ein erfindungsgemäßer Normalspannungssensor 1 weist eine elastische
Trägerschicht 10 auf, welche auch als Trägerfolie 10 bezeichnet werden kann. Die Trägerfolie 10 ist im Wesentlichen kreisrund ausgebildet, mit einem radialen Vorsprung. Entlang der Längsachse X von oben ist zum einen eine Speiseleitung 12 auf die Trägerfolie 10 aufgedruckt, welche ringförmig um die Längsachse X verläuft an einen Ende am Vorsprung der Trägerfolie 10 endet und dort mit einem Anschluss 13 in Form eines Steckers 13 elektrisch leitfähig verbunden ist. Radial außerhalb der Speiseleitung 12 ist, um 90° zum Stecker 13 in der Umfangsrichtung U versetzt, ist auf der gleichen Seite wie die Speiseleitung 12 ein erster U-förmiger Resonator 11a mittels gedruckter elektrische leitfähiger Tinte aufgebracht. Es folgen jeweils um weitere 90° versetzt ein zweiter Resonator 11 b und ein dritter Resonator 11c gleicher Bauart, welche jedoch jeweils größer werdend hinsichtlich ihrer Erstreckung in der Umfangsrichtung U ausgebildet sind, siehe Figuren 1 und 2. Entlang der Längsachse X ist die Trägerfolie 10 mit den Resonatoren 11a, 11b, 11c und der Speiseleitung 12 beidseitig in ein flexibles Dielektrikum 14 eingebettet, siehe Figur 3. Das Dielektrikum 14 ist entlang der Längsachse X beidseitig zwischen elektrisch leitfähigen Leiterschichten 15 in Form von Masseflächen 15 angeordnet. Die Trägerfolie 10 ist entlang der Längsachse X genau mittig zwischen den beiden Masseflächen 15 angeordnet, so dass ein Abstand h von der T rägerfolie 10 zu jeder der beiden Masseflächen 15 im unbelasteten Zustand des Normalspannungssensors 1 gleich ist.
Der Normalspannungssensor bildet gemeinsam mit einer Steuerungseinheit (nicht dargestellt) ein Normalspannungssensorsystem. Seitens der Steuerungseinheit können die Resonatoren 11a, 11b, 11c des Normalspannungssensors 1 zu Schwingungen in der jeweiligen Eigenfrequenz angeregt und diese Schwingungen seitens der Steuerungseinheit 1 erfasst werden. Aus den erfassten Schwingungen der Resonatoren 11a, 11b, 11c kann die Steuerungseinheit die mechanischen Normalspannungen F entlang der Längsachse X bestimmen.
Wird somit, mit anderen Worten, der Abstand h zwischen den Masseflächen 15 und den Resonatoren 11a, 11b, 11c durch die einwirkende Normalspannung F verringert, so wirkt sich dies auf die Eigenfrequenz der Resonatoren 11a, 11b, 11c aus, d.h. die Eigenfrequenzen werden verstimmt. Dies kann seitens der Steuerungseinheit erfasst bzw. erkannt und hieraus die anliegende mechanische Normalspannung F entlang der Längsachse X bestimmt werden. Dabei können unterschiedliche starke Normalspannungen F zu unterschiedlichen deutlichen Verstimmungen der Resonatoren 11a, 11b, 11c führen, welche jeweils auf einen Wertebereich der Normalspannungen F ausgelegt sein können. Entsprechend kann je nach anliegender Normalspannung F einer der Resonatoren 11a, 11b, 11c stärker verstimmt werden als die anderen beiden Resonatoren 11a, 11b, 11c und dann genau dessen Sensorwerte zur Bestimmung der anliegenden mechanischen Normalspannung F entlang der Längsachse X verwendet werden. Dies kann die Messgenauigkeit erhöhen, da über den Wertebereich der zu erfassenden Normalspannungen F aller drei Resonatoren 11a, 11b, 11c jeweils einer der drei Resonatoren 11a, 11b, 11 c entsprechend sensitiv ausgebildet sein kann, um insgesamt den gesamten Wertebereich der zu erfassenden Normalspannungen F mit höherer Genauigkeit abzudecken bzw. zu erfassen als bisher seitens derartiger Normalspannungssensoren mit lediglich einem Resonator bekannt ist. Um die auf den Normalspannungssensor 1 wirkenden Normalspannungen F zu reduzieren, kann der Normalspannungssensor 1 in einem Gehäuse 16 vergleichbar einem Kraftmessdose angeordnet sein. Die Verbindung zu Objekten (nicht dargestellt), zwischen denen die Normalspannungen F sensorisch wie zuvor beschrieben erfasst werden sollen, kann entlang der Längsachse X auf der einen Seite über einen Gehäuseboden 16a und auf der gegenüberliegenden Seite über einen Gehäusedeckel 16b erfolgen. Parallel zum Normalspannungssensor 1 können die Normalspannungen F über Gehäusewände 16c des Gehäuses 16 geleitet werden, siehe Figur 4.
Bezugszeichenliste (Teil der Beschreibung)
A-A Schnitt F mechanische Normalspannungen bzw. Richtung der mechanischen
Normalspannungen h Abstand zwischen Trägerschicht 10 und Masseflächen 15
R radiale Richtung
U Umfangsrichtung X Längsachse
I Normalspannungssensor
10 Trägerschicht; Trägerfolie
I I a erster Resonator 11 b zweiter Resonator
11 c dritter Resonator
12 Speiseleitung
13 Anschluss; Stecker
14 Dielektrikum 15 elektrisch leitfähige Leiterschichten; Masseflächen
16 Gehäuse
16a Gehäuseboden
16b Gehäusedeckel
16c Gehäusewände

Claims

Patentansprüche
1. Normalspannungssensorsystem mit wenigstens einem Normalspannungssensor (1 ) mit wenigstens einem ersten Resonator (11a) mit einer ersten Eigenfrequenz, welche von einer zu erfassenden mechanischen ersten Normalspannungen (F), vorzugsweise zumindest im Wesentlichen linear, abhängig ist, mit wenigstens einem zweiten Resonator (11b) mit einer zweiten Eigenfrequenz, welche von einer zu erfassenden mechanischen zweiten Normalspannungen (F), vorzugsweise zumindest im Wesentlichen linear, abhängig ist, wobei der Normalspannungssensor (1 ) ausgebildet ist, zwischen zwei Objekten derart angeordnet zu werden, so dass zwischen den Objekten wirkende mechanische Normalspannungen (F) die Eigenfrequenzen der Resonatoren (11a, 11 b) verändern können, und mit wenigstens einer Steuerungseinheit, welche ausgebildet ist, die Resonatoren (11a, 11 b) des Normalspannungssensors (1 ) zu Schwingungen in dessen Eigenfrequenzen anzuregen und dessen Schwingungen zu erfassen, wobei die Steuerungseinheit ferner ausgebildet ist, aus den erfassten Schwingungen der Resonatoren (11a, 11b) die mechanischen Normalspannungen (F) zu bestimmen.
2. Normalspannungssensorsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren (11a, 11 b) des Normalspannungssensors (1 ) elastisch, vorzugsweise als leitfähige Flüssigkeit, ausgebildet sind.
3. Normalspannungssensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren (11a, 11b) des Normalspannungssensors (1) als hochfrequenter Resonator (10) ausgebildet sind.
4. Normalspannungssensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren (11a, 11b) des Normalspannungssensors (1 ) auf einer, vorzugsweise elastischen, Trägerschicht (10), vorzugsweise Trägerfolie (10), angeordnet sind.
5. Normalspannungssensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren (11a, 11b) des Normalspannungssensors (1) ringförmig um eine Längsachse (X) angeordnet sind, wobei die Längsachse (X) der Richtung der zwischen den Objekten wirkende mechanische Normalspannungen (F) entspricht.
6. Normalspannungssensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren (11a, 11b) des Normalspannungssensors (1) jeweils senkrecht zur Richtung der mechanischen Normalspannungen (F) zwischen wenigstens einem Paar von elektrisch leitfähigen Leiterschichten (15) und in einem Dielektrikum (14) eingebettet angeordnet sind, wobei im Dielektrikum (14) wenigstens eine Speiseleitung (12) angeordnet ist, welcher sich parallel zu den Resonatoren (11a, 11b) erstreckt.
7. Normalspannungssensorsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Normalspannungssensor (1) wenigstens einen Anschluss (13) aufweist, welcher parallel mit den Resonatoren (11a, 11b) und mit der Speiseleitung (12) elektrisch leitfähig verbunden ist.
8. Normalspannungssensorsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (14) des Normalspannungssensors (1 ) elastisch ausgebildet ist.
9. Normalspannungssensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren (11a, 11 b) des Normalspannungssensors (1 ) sich, vorzugsweise U-förmig, flächig erstreckend ausgebildet sind, wobei die Resonatoren (11a, 11b) mit ihrer flächigen Erstreckungsebene senkrecht zur Richtung der mechanischen Normalspannungen (F) in das Dielektrikum (14) eingebettet sind.
10. Normalspannungssensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit ausgebildet ist, die Resonatoren (11a, 11 b) des Normalspannungssensors (1 ) mittels breitbandiger Impulse zu Schwingungen in deren Eigenfrequenzen anzuregen, deren Impulsantworten zu erfassen und aus den erfassten Impulsantworten die mechanischen Normalspannungen (F) zu bestimmen.
11 . Normalspannungssensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (2) ausgebildet ist, die Resonatoren (11a, 11 b) des Normalspannungssensors (1 ) kontinuierlich mit Schwingungen variabler Frequenz zu Schwingungen in deren Eigenfrequenz anzuregen, deren Schwingungen zu erfassen, aus der Resonanzfrequenz der erfassten Schwingungen die Übertragungsparametern zu bestimmen und aus den bestimmten Übertragungsparametern die mechanischen Normalspannungen (F) zu bestimmen.
12. Normalspannungssensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Normalspannungssensor (1) ferner wenigstens einem dritten Resonator (11c) mit einer dritten Eigenfrequenz aufweist, welche von einer zu erfassenden mechanischen dritten Normalspannungen (F), vorzugsweise zumindest im Wesentlichen linear, abhängig ist.
13. Normalspannungssensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Normalspannungssensor (1) ein Gehäuse (16) aufweist, welches ausgebildet ist, zwischen den beiden Objekten angeordnet zu werden, wobei das Gehäuse (16) ausgebildet ist, zwischen den Objekten wirkende mechanische Normalspannungen (F) teilweise parallel an den Resonatoren (11a, 11b) vorbei zu übertragen.
14. Normalspannungssensor (1 ) zur Verwendung in einem Normalspannungssensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
15. Steuerungseinheit zur Verwendung in einem Normalspannungssensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
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